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固体物质破碎既是巨大数量颗粒的多体动力学问题,又是物体破碎的固体力学问题,因此对于物料破碎过程的研究仍旧较为困难。目前阶段对物料破碎研究大多数以宏观破碎特性为主,而从细观角度上分析物料破碎的研究相对较少,因此从细观力学的角度出发研究物料的破碎特性,对物料破碎机理研究具有重大的科学意义。 本研究基于离散单元法和细观力学主要进行了如下工作:从细观力学角度出发,给出颗粒系统内部强力链的判据准则、冲量以及能耗计算公式;采用计算机技术和实验结合的方法对颗粒细观参数进行确定,并构建钨矿石巴西圆盘颗粒模型,然后通过进行巴西圆盘的破碎实验,对圆盘的动态破碎过程、力链网络形态、力分布特性、能耗特性进行了研究。 论文的主要研究成果: (1)基于离散单元理论和颗粒粘结理论构建巴西圆盘二维颗粒模型,对所构建的颗粒模型进行动态破碎实验,结果发现,裂纹滋生后沿与载荷方向呈30°夹角的路线进行传递、贯通;在整个力链网络中,强力链所占比例较少,其冲量和能耗随时间不断增加。 (2)通过实验确定了一组颗粒模型的细观参数,并构建了一种钨矿石巴西圆盘三维颗粒模型,并进行破碎实验,证明了所构建的钨矿石巴西圆盘颗粒模型能较好的模拟真实矿石破碎的应力特性,同时将圆盘压裂实验中心部位首先起裂的现象进行可视化。 (3)对构建的钨矿石巴西圆盘模型进行动态破碎实验,对结果进行分析发现,裂纹开始在接触部位滋生、聚集,随后向中心区域延伸、贯通;力链以接触位置为起点向内部传递且越靠近接触部位,柱状分支越明显;力分布函数呈指数衰减形式,而在应力集中的区域,力分布函数呈现正态分布。 (4)从宏观方面和细观方面分析了尺寸效应、接触方式以及配位数对巴西圆盘破碎过程中强力链的能耗产生的影响,最后得出,强力链上的能耗随着高径比的变大而增加;圆盘与外部施载体接触面积越大,内部强力链上的能耗也越大;配位数越大,强力链的能耗也越大。 以上结果表明,本研究构建的颗粒模型对于分析动态破碎过程及其能耗分析具有较好的可行性,为细观力学在矿石破碎机理和本质的研究应用提供了一定的参考价值。